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ZEMAX光学设计实例（149）---模拟单模光纤耦合

2022-1-13 10:26| 发布者：Davis| 查看：3452| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article discusses the parameters and simulation process for designing a system that couples a single mode fiber with a silica lens using ZEMAX software. The design includes optimizing the distance between the fiber and lens to achieve efficient coupl

设计指标：

单模光纤的规格为纤芯直径为8.3um，数值孔径0.14，模场直径9.2±0.4um@1.31um；

透镜的规格为：熔融石英（Silica），厚度0.9mm，直径0.24mm，曲率半径0.33mm，数值孔径0.17。

出射单模光纤到第一个透镜的初始距离为0.1mm，第二个透镜到耦合光纤的初始距离也是0.1mm；两个透镜之间的初始距离为2mm。

（该设计来自ZEMAX自带实例）

设计仿真：

（1）单模光纤耦合

在系统通用对话框中设置孔径。在孔径类型中选择“Float By Stop Size”，Apodization Type选择“Gaussian”，Apodization Factor为3.0，这样设置可以产生高斯分布的光束。

在视场设定对话框中设置1个视场，Field Type为“angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选择1.310um一个波长，如下图：

LDE初始结构，如下图：

此时，2D Layout，如下图：

查看点列图：

光纤在波长1.31um的模场直径为9.2±0.4um，因此可以按照下图所示来设置近轴高斯光束。

将Waist Size设置为0.0046，Surf 1 to Waist设置为-0.1，这样，此时的束腰位置就位于在输入光纤的位置。

查看Paraxial Gaussian Beam Data：

上图中，像面（IMA）上的Size约为5.56um，而物面（OBJ）上的Size为4.6um，考虑到希望该系统的输入和输出是互易的，那么，我们可以通过优化光纤与透镜之间的距离来优化像面上的Size到4.6um。

打开MFE，添加GBPS操作数，设置如下：

GBPS操作数，在Wave定义的波长上，指定面后的光学空间中近轴高斯光束的尺寸。

将LDE中物面的厚度设置为变量，此时，第5面的厚度也会相应变化。同时，将第2面的曲率半径也设置为变量，那第4面的曲率半径也会相应变化。

开始执行优化。

优化后的LDE，如下图：

再次查看Paraxial Gaussian Beam Data：

（2）单模光纤耦合效率计算

A）使用“Single ModeCoupling”计算耦合效率

点击“Analyze→Fiber Coupling→Single Mode Coupling”。在Settings里设置如下：

上图中，输入和耦合光纤的Gaussian NA可以在MFE中计算：

Gaussian NA=n·sinθ@1/e²。

计算结果如下：

B）使用“Physical Optics Propagation”计算耦合效率

打开POP Settings，设置如下：

查看POP，耦合效率仅0.5是受光学系统衍射的影响，如下图：

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